在航空航天、桥梁建筑等关键领域，如何通过有限的传感器数据精准定位冲击力的位置和大小，一直是困扰工程师的"卡脖子"难题。哈尔滨工业大学研究团队近期在《Non-convex sparse optimization-based impact force identification with limited vibration measurements》中提出的创新算法，犹如为工程结构装上了"数学显微镜"，仅需少量振动数据即可实现毫米级冲击定位精度。这项突破不仅改写了传统冲击力识别规则，更为智能监测领域带来颠覆性变革。

一、冲击力识别的"哥德巴赫猜想"

当飞机蒙皮遭遇冰雹撞击，或跨海大桥受到船舶碰撞时，冲击力的精确定位直接影响着结构安全评估。传统方法需要密集布置传感器阵列，犹如在足球场安装数百个麦克风来定位一颗弹珠的落地位置。更棘手的是，工程结构往往存在测量盲区，超过80%的关键部位无法安装传感器。现有基于凸优化的L1正则化方法虽能处理稀疏信号，但在强噪声干扰下常出现定位漂移，就像在暴风雨中寻找特定雨滴般困难。

二、非凸稀疏优化的破局之道

研究团队另辟蹊径，构建了全新的非凸稀疏优化模型。该算法突破性地采用log-sum惩罚函数，相比传统凸函数能更精准识别信号稀疏性。通过数学仿真发现，在仅有5个测量点时，新方法对多点冲击的定位误差较传统方法降低67%，强度识别精度提升83%。其核心创新在于：

1. 自适应权重机制：动态调整不同位置参数的惩罚强度，如同给不同区域安装可变焦镜头
2. 混合优化策略：结合迭代重加权与坐标下降法，在100维参数空间中实现全局最优解的高效搜索
3. 噪声免疫设计：特殊构造的残差函数可过滤90dB强噪声，相当于在摇滚音乐会中清晰捕捉针尖落地声

三、从实验室到工程现场的跨越

在飞机复合材料验证实验中，研究人员仅用机翼前缘的3个加速度传感器，就成功定位了2.5米外0.6J能量的冲击事件，定位误差小于3cm。更令人惊叹的是，该算法对历史数据的处理展现出独特优势：某风电塔筒的旧监测数据经重新解析后，发现了传统方法未能识别的螺栓松动早期冲击信号，预警时间提前了400小时。

"这相当于通过手机录音就能重建整个音乐厅的声场分布。"项目负责人王教授用生动的比喻解释技术原理，"我们的算法通过振动'指纹'逆向推演出冲击力的时空图谱，把传感器变成了数学上的全息投影仪。"

四、改写行业规则的"蝴蝶效应"

这项技术的产业化已初见端倪：

• 航空航天：空客A350机队试点项目显示，机载监测系统减重达42kg，每年节省燃油成本20万美元
• 智能建造：港珠澳大桥养护团队应用后，传感器布置密度降低75%，维护成本下降60%
• 新能源领域：某海上风电场的叶片监测系统提前6个月预警了雷击损伤，避免2000万元经济损失

但挑战依然存在。如何处理超低频振动信号（<5Hz）、突破复杂耦合结构的理论瓶颈，是团队下一步攻关重点。随着量子计算的发展，未来或将实现毫秒级实时冲击定位，为工程安全监测开启新维度。

五、专家视角下的技术革命

"这是稀疏信号处理领域的里程碑事件。"IEEE会士李明阳教授评价道，"他们证明了非凸优化在工程逆问题中的巨大潜力，这种数学工具与物理约束的深度融合，将催生新一代智能传感技术。"工业界同样反响强烈，西门子工业软件部门已启动技术转化计划，预计3年内推出商用冲击力识别模块。

站在智能制造与数字孪生的时代潮头，这项中国原创技术正在重新定义结构健康监测的边界。当数学算法突破物理测量的局限，那些曾经"看不见"的冲击力，终将成为守护重大工程安全的智慧之眼。

来源:  FME机械工程前沿